(57)【要約】【課題】可溶化能力が高く、トータルコストが安く、設備の小型化ができる余剰汚泥の可溶化処理方法及び装置を提供する。【解決手段】余剰汚泥の減容化方法は、有機性廃水に微生物処理を施すことにより生ずる余剰汚泥に、可溶化剤を添加し、超音波を作用させ、減圧膨張処理を施した後に、再び微生物処理を施すことにより、前記余剰汚泥の容積を減少させる。余剰汚泥の減容化装置は、有機性廃水を微生物処理を施すことにより生じた余剰汚泥に、可溶化剤を添加する手段と、超音波を作用させる超音波付与手段と、当該超音波付与手段の下流側に設けられて前記余剰汚泥に減圧膨張処理を施す減圧膨張手段とを備えた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃水に微生物処理を施すことにより生ずる余剰汚泥に、可溶化剤を添加し、超音波を作用させ、減圧膨張処理を施した後に、再び微生物処理を施すことにより、前記余剰汚泥の容積を減少させることを特徴とする余剰汚泥の減容化方法。
【請求項２】
前記可溶化剤が、アルカリ、又は溶菌剤、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１記載の余剰汚泥の減容化方法。
【請求項３】
有機性廃水を微生物処理を施すことにより生じた余剰汚泥に、可溶化剤を添加する手段と、超音波を作用させる超音波付与手段と、当該超音波付与手段の下流側に設けられて前記余剰汚泥に減圧膨張処理を施す減圧膨張手段とを備えたことを特徴とする余剰汚泥の減容化装置。
【請求項４】
前記減圧膨張手段がホモジナイザーであることを特徴とする請求項３記載の余剰汚泥の減容化装置。
【請求項５】
前記超音波付与手段と前記減圧膨張手段とが別装置として構成され、これらの超音波付与手段と減圧膨張手段とが直接又は他の装置を介して直列に接続されていることを特徴とする請求項３又は４記載の余剰汚泥の減容化装置。
【請求項６】
前記超音波付与手段と前記減圧膨張手段との機能を併せ持つ一の装置として構成されていることを特徴とする請求項３又は４記載の余剰汚泥の減容化装置。
【請求項７】
前記超音波付与手段が超音波振動子を含み、前記減圧膨張手段が、当該超音波振動子の下流に流れに交差するように配置された、多数の貫通孔が形成された板状体を含むことを特徴とする請求項６記載の余剰汚泥の減容化装置。
【請求項８】
前記超音波付与手段と前記減圧膨張手段との間に、流れを遮るように受流板状体を介装したことを特徴とする請求項６又は７記載の余剰汚泥の減容化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は各種有機性汚水を生物的に処理する際に発生する余剰汚泥を減容化する余剰汚泥の減容化方法及びこの方法を用いた余剰汚泥の減容化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種産業及び生活から排出される有機性廃水は主に活性汚泥法などの生物学的方法で処理されている。この処理過程では微生物が活発に増殖するため余剰汚泥が大量に生成されるから、その処分が問題になっている。このような余剰汚泥の処分方法としては、一部において土壌改良材として利用することやコンポスト材料として利用することがおこなわれているが根本的な解決にまだ至ってなく、殆どの場合は、余剰汚泥を脱水処理した後に産業廃棄物として焼却や埋め立てなどの方法で処理するのが現状である。
【０００３】
しかし、近時においては、上記の焼却処分については焼却に伴うダイオキシンなどのいわゆる環境ホルモンなどの有害物質の発生が懸念され、また埋め立て処分の場合にも、経時的に有害物質の浸出問題が懸念される傾向が強くなっている。従って、より根本的な解決方法として、処分すべき余剰汚泥自体を減容化する技術が求められ、このための提案も多数されてきている。
【０００４】
その中、コストが割に安く、制御しやすい方法として特許番号第2806495号、特開平11-128975号、特願平11-218022号等の方法が提案されている。これらは、余剰汚泥にアルカリを添加した後に超音波を与えるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術で述べた特開平11-128975号に示されたものは、可溶化された余剰汚泥を生物処理工程に返送するときの中和コストを考慮して、結局pH10.5以下で行うようにしているが、期待される可溶化の効果を得ることが困難である。
【０００６】
従来の技術で述べた特願平11-218022号に示されたものは、中和することに工夫を加えて、pHを12,13まで高めて、可溶化効果を向上させているが、超音波による処理時間がまだ長く、出力が比較的に高いためコスト高につながり、また、微生物の資化性（微生物の分解に利用されやすさ）も満足できる効果が得られ難く、実用に支障がでる場合がある。このものでも、低い超音波出力でかつ短い作用時間で要求された溶解効果、特に微生物に資化され易い効果が得られるように、コスト削減と効果を向上させる技術改良が強く求められている。
【０００７】
本発明の目的は、従来の方法よりも可溶化能力が高く、トータルコストが安く、設備の小型化が図れる余剰汚泥の可溶化処理方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
【発明が解決するための手段】
本発明の請求項１記載の余剰汚泥の減容化方法は、有機性廃水に微生物処理を施すことにより生ずる余剰汚泥に、可溶化剤を添加し、超音波を作用させ、減圧膨張処理を施した後に、再び微生物処理を施すことにより、前記余剰汚泥の容積を減少させることを特徴とする。
【０００９】
このものでは、減圧膨張処理により高い可溶化が図られ、特に高い微生物資化性が得られ、高い減容化が実現される。
【００１０】
本発明の請求項２記載の余剰汚泥の減容化方法は、前記可溶化剤が、アルカリ、又は溶菌剤、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする。
【００１１】
このものでは、アルカリはタンパク質の溶解に寄与し、中和されれば環境に無害であり、更に生物処理系では炭酸ガスの溶け込みによるｐＨの低下を防止すること及びｐＨの調整ができるという利点がある。アルカリ剤としては、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ｃａ（ＯＨ）２などｐＨを高めることができれば物質を問わない。
【００１２】
また、溶菌剤は微生物の細胞壁を破壊するという作用を発揮する。溶菌剤の種類として様々なものがあるが、菌体を分解できるものならば種類は問わない。例えば、過酸化水素、次亜塩素ソーダー、オゾンなとが挙げられる。
【００１３】
本発明の請求項３記載の余剰汚泥の減容化装置は、有機性廃水を微生物処理を施すことにより生じた余剰汚泥に、可溶化剤を添加する手段と、超音波を作用させる超音波付与手段と、当該超音波付与手段の下流側に設けられて前記余剰汚泥に減圧膨張処理を施す減圧膨張手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
このものでは、減圧膨張手段により高い可溶化が図られ、特に高い微生物資化性が得られ、高い減容化が実現される。
【００１５】
本発明の請求項４記載の余剰汚泥の減容化装置は、前記減圧膨張手段がホモジナイザーであることを特徴とする。
【００１６】
このものでは、超音波とアルカリ等の可溶化剤により微生物の細胞壁を壊したり、傷つけられた細胞を減圧膨張により、細胞の中身の漏出を促進し、可溶化剤による更なる反応で微生物に利用されやすい物質に変えることが可能である。なお、ホモジナイザーにかける圧力が高いほど、減圧膨張による可溶化効果が高くなるが、装置の製造コストとランニングコストなどを考慮して最適な操作条件を決定すればよい。
【００１７】
本発明の請求項５記載の余剰汚泥の減容化装置は、前記超音波付与手段と前記減圧膨張手段とが別装置として構成され、これらの超音波付与手段と減圧膨張手段とが直接又は他の装置を介して直列に接続されていることを特徴とする。
【００１８】
このものでは、超音波付与手段と減圧膨張手段とが別装置であるのでそれぞれの装置の性能を最大限発揮させるように設計することができる。更に、超音波付与と減圧膨張との各処理の操作条件を自由にそれぞれ独立に最適に制御できる。
【００１９】
本発明の請求項６記載の余剰汚泥の減容化装置は、前記超音波付与手段と前記減圧膨張手段との機能を併せ持つ一の装置として構成されていることを特徴とする。
【００２０】
このものでは、超音波付与手段と減圧膨張手段とが一の装置として構成されているので、装置の大きさを最小限に抑えるように設計をすることができる。また、装置全体のコストを低減でき、装置操作の制御も簡単に行うことが可能となる。
【００２１】
本発明の請求項７記載の余剰汚泥の減容化装置は、前記超音波付与手段が超音波振動子を含み、前記減圧膨張手段が、当該超音波振動子の下流に流れに交差するように配置された、多数の貫通孔が形成された板状体を含むことを特徴とする。
【００２２】
このものでは、流れに対応して配置された板状体（多孔板）により、減圧膨張作用が発揮され、高い可溶化が図られる。
【００２３】
本発明の請求項８記載の余剰汚泥の減容化装置は、前記超音波付与手段と前記減圧膨張手段との間に、流れを遮るように受流板状体を介装したことを特徴とする。
【００２４】
このものでは、介装された受流板状体により、超音波のキャビテーション効果を高め、溶液の流れを変更させ、混合を促進させ、前記板状体（多孔板）の孔径を大きくしても、高い可溶化が図られる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図に従って、本発明の実施形態を説明する。
【００２６】
図１に、本発明の実施の形態に係る余剰汚泥の減容化方法を含む廃水の処理方法のフロー工程図の一例を示す。図１において、有機廃水の原水１は初期沈殿地２、流量調整池３を経て、生物処理槽４に流入して微生物により処理された後に最終沈殿池５で固液分離して、処理水６と汚泥（返送汚泥７、余剰汚泥８）となる。その汚泥の一部分を返送汚泥７として生物処理槽に返送すると共に他部は余剰汚泥８として汚泥濃縮槽１０を経て又は経由せずに、汚泥可溶化工程ＤＶ１１に導入し、余剰汚泥８を可溶化及び分解処理を行う。可溶化された可溶化汚泥９は廃水処理工程の流量調整槽３又は生物処理槽４、又はこれらの両方に返送して、生物処理槽４中の微生物により可溶化汚泥９を分解する。
【００２７】
汚泥可溶化工程ＤＶ１１では、投入された余剰汚泥８は超音波の振動子の作用を受け、更にホモジナイザーの減圧膨張作用を受けて、可溶化処理される。
【００２８】
汚泥可溶化工程ＤＶ１１は超音波付与手段としての機能と減圧膨張手段であるホモジナイザーとしての機能を備えている。その構造を図２、図３、図４、図５に示す。
【００２９】
図２及び図３に示すものは、超音波付与手段と減圧膨張手段（ホモジナイザー）とを分離して構成し直列に接続したものである。図中１２は超音波付与手段の一部としての超音波振動子、１３は超音波処理タンク、１４はポンプ、１５は減圧膨張処理タンク、１６は減圧膨張手段としてのホモジナイザーである。
【００３０】
図４と図５に示すものは超音波付与手段と減圧膨張手段（ホモジナイザー）との機能を併せ持つ一の装置としたものである。これらの各手段を別部品として製造した後に、ボルトナット等の締結具により組み立てたものも、前記一の装置という概念に含まれるものとする。
【００３１】
図４に示すものは、多孔板２６を超音波振動子２２の超音波作用方向の直前に設置して、超音波の作用を受けた余剰汚泥が超音波の直進波とポンプの圧力により多孔板２６に送られるようにしている。
【００３２】
この構造を採用したので、多孔板２６の一次側では圧力が高いが、多孔板２６の二次側の圧力が大気圧に近いため、多孔板２６を通過した液体はすぐに大気圧に近い圧力に下がる。その圧力差で余剰汚泥中の菌体は急激な減圧により膨張し、超音波の微細的な高周波のキャビテーション作用を受けた菌体は液体本体の膨張作用を受け、破壊された細胞壁が更に膨張作用で細胞内部の内容物の漏出が促進されて、アルカリなどの溶解剤の作用を受け、微生物に分解されやすい物質になる。また、アルカリの溶解剤の作用と超音波の作用により傷を付けられた細胞壁が減圧膨張により破壊され、内容液の漏出が促進される。
【００３３】
図５に示すものは、超音波振動子２２の直前に受流板状体２７を置いたものである。
【００３４】
この構造を採用したので、超音波の作用を受けた溶液が受流板状体２７により高圧に維持され、その後に受流板状体２７の脇の通路を通って、セル（多孔板２６）の出口から減圧を受け、膨張作用を受け、細胞壁の破壊と内容物の漏出が促進される。
【００３５】
なお、セルの出口は多孔板、少孔板、単円孔でもよい。その中、少孔板と単円孔は詰まりにくいため、微生物菌体以外の溶解できない異物が混入された場合でも工程の前段階で異物除去工程がなくても済み、操作を安定的に行うことができる。目詰まりと減圧膨張効果を総合的に考えると、少孔板が望ましい。
【００３６】
また、前記受流板状体２７は平板でも円弧板等の他の形でも構わない。受流板状体２７を設置することが望ましいが特殊の場合では受流板状体２７を設置なくてもある程度の効果が得られる。
【００３７】
このように、本発明の実施の形態に係る余剰汚泥の減容化方法及び装置によれば、アルカリ条件で超音波の作用を受けた後にホモジナイザーの作用を受け、又は同時に作用を受けて、可溶化効果を高めることができる。即ち、超音波の作用とホモジナイザーの作用を相乗させることにより微生物細胞の可溶化効果を高めることができる。ここでホモジナイザーとは加圧した状態で多孔板を通って、瞬間的に減圧して、微生物の細胞を破壊または破壊された細胞から内容物を漏出させる作用を有する装置を指す。
【００３８】
アルカリと超音波の作用で微生物の細胞壁を破壊したり、傷を付けたりした後に、その細胞の内容物を細胞外に漏出させ更に微生物に利用されやすい物質に変換するように分解することが重要である。この過程を促進するには一部可溶化された液体の圧力を上げて瞬間的に減圧することにより細胞が膨張し、細胞壁に傷が付いた細胞及び破壊された細胞内の内容物が細胞外に漏出され、アルカリの作用を受け、微生物にとって分解されやすい物質になる。
【００３９】
アルカリと超音波の作用で汚泥液体の粘度が大きくなり、液体内のミクロン的な物質移動の抵抗が増加し、一部可溶化された細胞と液体本体(アルカリ液)との間の混合性が悪化し、更なる分解による可溶化が困難になり、可溶化の効果が高く得られない場合がある。このような原因を解決するために、ホモジナイザーを用いて処理すれば相乗効果が得られる。なお、前記アルカリを用いたが、他の溶菌剤を用いても同様な作用効果が得られる。
【００４０】
そして、可溶化された汚泥は生物処理工程の前工程に返送され、他の微生物に分解され、余剰汚泥の減容化が図られる。
【００４１】
【実施例】
以下、本発明の余剰汚泥の減容化方法及び装置を実施例により更に説明する。
（実施例１）
以下の条件で有機排水を好気性微生物処理した際に得られた汚泥(食品工場)の可溶化試験を行った。
汚泥濃度：   10050  mg/リットル、  pH6.3
pH調整剤：  NaOH
可溶初期pH：  １２
超音波周波数：  19Hz、出力400Ｗ、滞留時間１min（精電舎電子工業株式会社製の装置使用）
【００４２】
可溶化の指標は、汚泥を遠心分離(4000rpm、10分間)で遠心分離し、その回収液を150℃における、二クロム酸カリウムによる酸素消費量(CODCr）の測定方法（ＪＩＳ  Ｋ０１０２に準拠））を用いて、計測した汚泥中のCOD濃度の上昇により判断した。当該測定は、ＨＡＣＨ社製の比色計とＣＯＤリアクタとを使用した。
【００４３】
表１
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Ａ：ホモジナイザーだけ、
Ｂ：アルカリホモジナイザー、
Ｃ：アルカリ超音波、
Ｄ：アルカリ超音波＋直列型ホモジナイザー(図３)、
Ｅ：アルカリ超音波＋一体型多孔板ホモジナイザー(図４)、
Ｆ：アルカリ超音波＋一体型少孔板ホモジナイザー(図５)。
【００４４】
表１に上記食品工場の余剰汚泥を用いて可溶化の結果を示す。ホモジナイザーはそれぞれ図３、図４、図５に示した構造のものをそれぞれ用いた。図３、図４の多孔板は直径1.5mm、開孔率は38％で、図５は少孔型で孔径4.5mmの貫通孔を６つを有する。比較のためにホモジナイザーを使用しない場合、ホモジナイザーだけ及びアルカリ条件でのホモジナイザーの場合の結果を比較のために示す。ホモジナイザーに液を送るポンプの圧力は4.0−6.0kgf/cm2であった。
【００４５】
表１からわかるようにホモジナイザーを使用しない場合より使用した場合では顕著な可溶化効果が明らかになった。また、ホモジナイザーだけの場合ではあまり顕著な可溶化効果が得られないことがわかった。なお、多孔板型より少孔板型の方がやや劣っているが超音波だけの場合よりは顕著な効果が確認された。また、図に示したように分離直列型より一体型の方がよい結果が得られることが興味深いことである。これは直進流などに抵抗があることが寄与されると考えられる。何れにしても表１ではホモジナイザーの減圧膨張作用を受けた汚泥のCODの変化はあることが確認された。
【００４６】
（実施例２）
図１に示したフロー工程を用いて、同じ食品工場の排水を原水とした生物処理実験を行った。実験は常温、アルカリ条件(初期pH12)において超音波及びホモジナイザーで溶解を促進した液のpHを調整しないで流量調整槽に送り込んで、生物学的な処理の効果を確認した。その結果を表２に示す。
【００４７】
その他の試験条件は以下の通りである。
原水流量：          50  リットル／日、
原水BOD：        1050  mg/リットル
原水流量調整槽：    50リットル
生物処理槽：        70リットル
可溶化工程への汚泥量：  余剰汚泥量の3.2倍
可溶化剤：  NaOH
超音波の照射時間：  １分間
【００４８】
表２
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【００４９】
Ｏは図１のフローに可溶化工程を除いた実験装置を用いた実験であり、他の符号の説明は表１の場合と同じである。
【００５０】
表２に示したように、4.0-6.0kgf/cm2の圧力範囲におけるホモジナイザーのみの可溶化は可溶化工程のない場合とほぼ同じ結果であり、汚泥減容化効果がないことが明らかである。アルカリホモジナイザーの場合では顕著な減容化効果が現れたものの期待された効果が得られない。アルカリ超音波ではかなりの減容化効果があるものの、ＢＯＤの汚泥転換率がまだ0.14であった。一方、アルカリ条件で超音波の作用を受けた後にホモジナイザーの作用を受けた場合は何れでもアルカリ超音波の場合より汚泥の発生量が著しく少なく、処理水質も殆ど差がなかった。
【００５１】
上記表２に示す各実験結果について、表１と比べてみると、CODを可溶化指標とした可溶化評価ではアルカリ超音波にホモジナイザーを付加した場合では可溶化効果があるものの、汚泥の転換率を指標とした汚泥減容化評価に関してはホモジナイザーの効果が著しく大きいことがわかった。これはホモジナイザーによる菌体の細胞壁から内容物の漏出が促進され更なる分解により生物処理しやすくなることが寄与したと考えられる。これらの結果から、汚泥の減容化効果に及ぼすアルカリ超音波とホモジナイザーの相乗効果は大きいことが確認された。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１記載の余剰汚泥の減容化方法によれば、アルカリ条件で超音波を作用させた後にホモジナイザーの減圧膨張作用を作用させ、又は同時に作用させることにより、可溶化効果を高めることができる。すなわち、超音波の作用とホモジナイザーの作用を相乗させることにより微生物細胞の可溶化効果を高めることができる。
【００５３】
本発明の請求項２記載の余剰汚泥の減容化方法によれば、アルカリはタンパク質の溶解に寄与し、中和されれば環境に無害であり、更に生物処理系では炭酸ガスの溶け込みによるｐＨの低下を防止すること及びｐＨの調整ができる。また、溶菌剤は微生物の細胞壁を破壊することができる。
【００５４】
本発明の請求項３記載の余剰汚泥の減容化装置によれば、減圧膨張手段により高い可溶化が図られ、高い可溶化効果により、高い減容化が実現される。
【００５５】
本発明の請求項４記載の余剰汚泥の減容化装置によれば、超音波とアルカリ等の可溶化剤により微生物の細胞壁を壊したり、傷つけられた細胞を減圧膨張により、細胞の中身の漏出を促進し、可溶化剤による更なる反応で微生物に利用されやすい物質に変えることができる。
【００５６】
本発明の請求項５記載の余剰汚泥の減容化装置によれば、超音波付与手段と減圧膨張手段とが別装置であるのでそれぞれの装置の性能を最大限発揮させるように設計することができ、超音波付与と減圧膨張との各処理の操作条件を自由にそれぞれ独立に最適に制御できる。
【００５７】
本発明の請求項６記載の余剰汚泥の減容化装置によれば、超音波付与手段と減圧膨張手段とが一の装置として構成されているので、装置の大きさを最小限に抑えるように設計をすることができ、装置全体のコストを低減でき、装置操作の制御も簡単に行うことができる。
【００５８】
本発明の請求項７記載の余剰汚泥の減容化装置によれば、流れに対応して配置された板状体により高い可溶化が図られる。
【００５９】
本発明の請求項８記載の余剰汚泥の減容化装置によれば、介装された受流板状体により高い可溶化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の余剰汚泥の減容化方法を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の余剰汚泥の減容化装置を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態の余剰汚泥の減容化装置を示す概略図である。
【図４】本発明の実施の形態の余剰汚泥の減容化装置を示す概略図である。
【図５】本発明の実施の形態の余剰汚泥の減容化装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１２，２２  超音波振動子（超音波付与手段）
１６  ホモジナイザー（減圧膨張手段）
２６  多孔板
２７  受流板状体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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